[发明专利]基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，包括以下步骤：S1、提供一掺杂的硅片，采用金属辅助刻蚀的方法在所述硅片的正面刻蚀形成硅微纳结构；S2、通过成膜工艺或物理气相沉积的方法，在所述硅片的背面覆盖背电极，所述背电极为金属电极或导电聚合物电极；S3、在所述硅微纳结构的表面印刷栅形电极，即得所述水伏器件。本发明还提供了由上述方法制备的基于硅微纳结构的水伏器件及其应用。本发明的基于硅微纳结构的水伏器件，制备工艺简单、安全，具有优异的功率输出和相对高的电流密度，且对湿气具有高灵敏性，在湿度传感器、新型能源转化技术领域显示出广阔的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及水伏技术领域，具体涉及一种基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用。

背景技术

当今社会，能源和环境问题日益严重地影响着社会的快速发展。对清洁可再生能源的研究和应用已经引起了社会的广泛关注。越来越多的再生能源的收集形式竞相发展，如纳米摩擦发电技术、压电技术、热电技术等。

最近，水伏技术作为一种新型的能源转化技术显示出迅猛的发展势头。作为一种借助水的流动产生电能的技术，因其材料的方便易得、价格低廉、无毒、无污染等优异性质，使其具有广阔的应用前景。此外，水覆盖了约71％的地球表面,占人体重量约70％，在细胞里的含量可达80％。水的无处不在也为水伏技术的发展提供无限可能。经过几年的发展，水伏技术涵盖了以纳米碳材料为主广泛的材料体系，有绝缘体和半导体，却受制于较低的输出功率，这也严重制约了其商业应用。基于此，深入探索更具拓展性的水伏效应物理机制，优化设计并可控制备高效廉价的水伏效应新材料和新器件，提升器件的稳定性、协同性和耐久性，完善和发展水伏理论，开拓无处不在的水伏效应的应用更具实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于硅微纳结构的水伏器件，该水伏器件具有优异的功率输出和相对高的电流密度，且对湿气具有高灵敏性，在湿度传感器、新型能源转化技术领域显示出广阔的实际应用前景。

本发明目的在于提供一种基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一掺杂的硅片，采用金属辅助刻蚀的方法在所述硅片的正面刻蚀形成硅微纳结构；

S2、通过成膜工艺或物理气相沉积的方法，在所述硅片的背面覆盖背电极，所述背电极为金属电极或导电聚合物电极；

S3、在所述硅微纳结构的表面印刷栅形电极，即得所述水伏器件。

进一步地，步骤S1中，所述硅微纳结构为硅纳米线阵列、硅纳米孔、硅纳米棒、硅纳米线网络或硅金字塔。

进一步地，步骤S1中，所述硅片的掺杂浓度各不相同，掺杂类型为N型或P型，掺杂物质包括B，Sb，P，N。对应的电阻率可为0.01～0.02Ω*cm，0.1～0.5Ω*cm，0.9～1Ω*cm，5～7Ω*cm，1～10Ω*cm等。

进一步地，步骤S1中，所述掺杂硅片在刻蚀前，经HF水溶液浸泡处理，以除去硅片表面多余的SiO₂，优选地HF水溶液的浓度为5％。

进一步地，步骤S1中，所述金属辅助刻蚀的金属离子为Ag⁺，镀银液为4.8M HF和0.01M AgNO₃配置的水溶液，刻蚀液为4.8M HF和0.3M H₂O₂配置的水溶液。

本发明中，通过调控刻蚀液浓度和刻蚀温度可获得形貌均匀、长度可调的硅纳米线阵列。通过优化刻蚀温度发现，在35℃的条件下，电阻率为0.01～0.02Ω*cm的硅片刻蚀30min，可以制备出30μm形貌均匀的硅纳米线阵列，变化刻蚀时间可以获得长度可调的硅纳米线阵列。

进一步地，步骤S2中，所述金属为金或银，所述导电聚合物为PEDOT:PSS、导电聚苯胺或银胶。